(57)【要約】  膝関節パワーアシスト装置（１０）は、膝関節まわりに装着して、膝の曲げ伸ばしの際に膝関節運動をアシストする。アシストパワーを発生させるための駆動部（１４）と、アシストパワーを伝達するためのパワー伝達機構（１６），（１７）と、膝関節の運動情報を取得するための力覚センサ機構とを具備する。力覚センサ機構によって取得した膝関節の運動情報に基づき、駆動部がアシストパワーを発生する。
2011145643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膝関節まわりに装着して、膝の曲げ伸ばしの際に膝関節運動をアシストするための膝関節パワーアシスト装置であって、
アシストパワーを発生させるための駆動部と、アシストパワーを伝達するためのパワー伝達機構と、膝関節の運動情報を取得するための力覚センサ機構とを具備し、
前記力覚センサ機構によって取得した膝関節の運動情報に基づき、前記駆動部がアシストパワーを発生するようにしたことを特徴とする膝関節パワーアシスト装置。
【請求項２】
前記力覚センサ機構は、前記パワー伝達機構におけるセルフロック機能を介してその力覚センサが前記膝関節の運動情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の膝関節パワーアシスト装置。
【請求項３】
前記力覚センサ機構によって取得した膝関節の運動情報に基づき、仮想コンプライアンス制御により膝関節運動の目標速度を生成し、この目標速度となるように前記駆動部がアシストパワーを発生することを特徴とする請求項１に記載の膝関節パワーアシスト装置。
【請求項４】
前記パワー伝達機構の出力部は、膝の曲げ伸ばしに伴う膝関節運動の回転中心の変化に実質的に対応する瞬間中心の移動軌跡を持つように作動することを特徴とする請求項１に記載の膝関節パワーアシスト装置。
【請求項５】
パワーアシストユニットが膝関節の側部に配置され、その出力リンクが大腿部及び脛部に沿って固定され、該リンクを介してアシストパワーを付与することを特徴とする請求項１に記載の膝関節パワーアシスト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体特に膝関節まわりに装着して、階段の上がり降り等をはじめてとして膝関節を使用する際にその膝関節運動を筋力補助（パワーアシスト）するようにした膝関節パワーアシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間が日常的な行動を行うとき、肉体の様々な関節に負担がかかっている。特に下半身を使う行動、例えば歩行や椅子等から立ち上がり、あるいは階段の上り下りに注目すると膝関節は極めて重要な役割を果たしている。そのため膝関節に大きな負担がかかり故障することが少なくない。また、老化等により身体能力が低下し、膝関節が適正に機能しない場合も多い。【０００３】
このように膝関節に問題を抱えているケースが多い。このような問題に対してサポーターや杖等の運動を受動的に補助するものが使用されている。更に、受動的な補助だけでなく能動的に補助することで膝への負担をより減少させ、日常的な行動を無理なく行えるようにすることが期待される。現在、人間の運動を能動的に補助するものとして所謂パワーアシストシステムが注目されている。パワーアシストシステムにはスーツのようなものを人間に装着して力をアシストするものや、外部の機械が人間の動作をアシストするなどがある。【０００４】
なお、従来例えば特許文献１に開示される電動補助装置では、使用者の大腿部に装着される大腿用装着部と、臑部に装着される臑用装着部と、一端部を大腿用装着部及び臑用装着部に固定され他端部は膝間節の部位で屈伸動作可能に連結された動力伝達腕と、動力伝達腕に屈伸動作の動力を付与する電気モータを有する駆動部と、電気モータ及び駆動部の電源及び制御部とから成り、電源及び制御部は使用者の身体に装着される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１６３６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
人間に装着するタイプの従来のパワーアシストシステムとして、構造的には全身をアシストするものや、下半身をアシストするものなどの比較的大きなものは知られている。しかしながら、小型軽量で装着し易く、且つ所定の局部部位だけをアシストするものは未だ知られていない。また、最も重要な機能として人間の運動意識を同時に察知できるセンシングシステムに関して、筋電流センシングや肢体の重量、重心と慣性モーメント推測可能な手法は知られているが、個人差や服装の加減でセンシングし難く、装着等が不便であるのが実情である。【０００７】
本発明はかかる実情に鑑み、小型軽量で使用性や取り扱い性等に優れ、且つ効果的な機能を発揮する膝関節パワーアシスト装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の膝関節パワーアシスト装置は、膝関節まわりに装着して、膝の曲げ伸ばしの際に膝関節運動をアシストするための膝関節パワーアシスト装置であって、アシストパワーを発生させるための駆動部と、アシストパワーを伝達するためのパワー伝達機構と、膝関節の運動情報を取得するための力覚センサ機構とを具備し、前記力覚センサ機構によって取得した膝関節の運動情報に基づき、前記駆動部がアシストパワーを発生するようにしたことを特徴とする。【０００９】
また、本発明の膝関節パワーアシスト装置において、前記力覚センサ機構は、前記パワー伝達機構におけるセルフロック機能を介してその力覚センサが前記膝関節の運動情報を取得することを特徴とする。【００１０】
また、本発明の膝関節パワーアシスト装置において、前記力覚センサ機構によって取得した膝関節の運動情報に基づき、仮想コンプライアンス制御により膝関節運動の目標速度を生成し、この目標速度となるように前記駆動部がアシストパワーを発生することを特徴とする。【００１１】
また、本発明の膝関節パワーアシスト装置において、前記パワー伝達機構の出力部は、膝の曲げ伸ばしに伴う膝関節運動の回転中心の変化に実質的に対応する瞬間中心の移動軌跡を持つように作動することを特徴とする。【００１２】
また、本発明の膝関節パワーアシスト装置において、パワーアシストユニットが膝関節の側部に配置され、その出力リンクが大腿部及び脛部に沿って固定され、該リンクを介してアシストパワーを付与することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明装置によれば、これを装着した使用者の動作に最適な力量でアシストし、特に膝関節の屈曲及び伸展運動を極めて有効且つ効果的にアシストすることができる。この場合、装置構成がコンパクトであり、小型軽量とすることによりこれを装着する使用者の負担とならず、使用性や取り扱い性等に優れ、更に高い安全性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施形態である装置の装着時の概略構成を示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施形態である装置の適用対象の例を示す斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施形態である装置の適用対象の例を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態である装置におけるパワーアシストユニットの正面側斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態である装置におけるパワーアシストユニットの背面側斜視図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態である装置の要部正面側斜視図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態である装置の要部背面側斜視図である。
【図７Ａ】図７Ａは、膝まわりの関節構造及びその関節運動の例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、膝まわりの関節構造及びその関節運動の例を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、膝関節運動に係る瞬間中心及びその軌跡を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、膝関節運動に係る瞬間中心及びその軌跡を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施形態である装置におけるパワーアシストユニットの膝関節対応部位の動作を瞬間中心との関係で示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施形態である装置におけるパワーアシストユニットの膝関節対応部位の動作を瞬間中心との関係で示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態である装置の要部構成を示す斜視図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施形態である装置における力覚センサの構成及び作用を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施形態である装置における力覚センサの構成及び作用を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態である装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態である装置における仮想コンプライアンス制御を原理的に示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態である装置における仮想コンプライアンス制御の試験結果を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施形態における装置装着時の概略構成を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、本発明の第２の実施形態におけるパワーアシストユニットの正面図である。
【図１７】図１７は、本発明の第２の実施形態におけるパワーアシストユニットの要部正面図である。
【図１８】図１８は、本発明の第２の実施形態におけるパワーアシストユニットのケーシング及びリンクの関係を示す斜視図である。
【図１９】図１９は、本発明の第２の実施形態におけるパワーアシストユニットのウォームホイールまわりを示す斜視図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施形態であるパワーアシスト装置の検証実験の結果を示したグラフであり、被験者が自分の意志で膝関節を動かした場合における筋電位の測定結果を示す。
【図２１】図２１は、本発明の実施形態であるパワーアシスト装置の検証実験の結果を示したグラフであり、被験者が自分の意志ではなく外力によって膝関節が動かされた場合における筋電位の測定結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明による膝関節運動パワーアシスト装置の好適な実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態であるパワーアシスト装置１０（パワーアシストユニットとして本発明の実施形態である装置のハードウェア部分を示す）の装着時の概略構成を示している。本発明の実施形態である装置は特に膝関節まわりに装着して、例えば図２Ａ，図２Ｂに示すように階段の上り下りや椅子等から立ち上がる際の膝関節の屈曲及び伸展運動をアシストするものである。図１において、膝１の外側部に配置された略薄箱型のケーシング１１から延出する出力部材として一対のリンク１２Ａ，１２Ｂを有し、リンク１２Ａが大腿部２の側部に沿って、リンク１２Ｂが脛部３の側部に沿うように装着される。この場合、リンク１２Ａ，１２Ｂはそれぞれファスナ１３（図３をも参照）によって、大腿部２及び脛部３に固定される。また、リンク１２Ａ，１２Ｂ相互間の角度αが大小変化するようにケーシング１１のセンタに関して同期、連動して回動駆動されるようになっている。
【００１６】
図４〜図６に示すようにケーシング１１の大腿部２側及び脛部３側の両端部に、アシストパワーを発生させるための駆動部を構成するモータ１４が搭載される。本実施形態においてモータ１４は、ホルダプレート１５を介して支持される。この場合、モータ１４の出力軸１４ａがホルダプレート１５と直交するように配置される。モータ１４の出力軸１４ａには、この例ではウォームギア１６が取り付けられる。ウォームギア１６は、アシストパワーを伝達するためのパワー伝達機構を構成する。各モータ１４（その出力軸１４ａ）及びウォームギア１６は、大腿部２及び脛部３にそれぞれ平行になるように取り付けられる。
【００１７】
また、ケーシング１１内にパワー伝達機構を構成するウォームホイール１７が、その支軸１８のまわりに回転可能に支持される。ウォームギア１６及びウォームホイール１７は相互に噛合しており、モータ１４の出力がウォームホイール１７に伝達される。なお、図５に示されるように大腿部２側及び脛部３側のそれぞれウォームホイール１７は、対応する駆動用のモータ１４によって別個に駆動される。この場合、図５等ではウォームホイール１７の全周にギア歯が形成されているが、必ずしもギア歯が全周に設けられる必要はない。膝関節の屈曲又は伸展運動の際の可動域の少なくとも上限に対応していればよく、即ち各ウォームホイール１７において、ギア歯が１／４円周分の領域に形成されていればよい。これにより部材の軽量化等に有利である。
【００１８】
また、図６に示されるように各ウォームホイール１７のケーシング１１内方側にて、ウォームホイール１７と同心に連結ギア１９が取り付けられる。この例では連結ギア１９はウォームホイール１７よりも適度に大径の平歯車とし、大腿部２側及び脛部３側のものが相互に噛合する。なお、連結ギア１９についてもウォームホイール１７の場合と同様に、ギア歯の形成領域として少なくとも１／４円周分程度でよい。また、各ウォームホイール１７にはブラケット２０を介してリンク１２Ａ，１２Ｂがそれぞれ固定される。
【００１９】
ここで、図７Ａは膝１まわりの関節構造を示している。膝関節には、大腿骨４及び脛骨５からなる大腿脛骨関節６と、大腿骨４及び膝蓋骨７からなる大腿膝蓋関節８の２種類の関節がある。このうち膝関節のパワーアシストに直接関係するのは大腿脛骨関節６の動きである。大腿脛骨関節６では、大腿骨４及び脛骨５相互間のころがり運動と滑り運動が複合した運動をする。図７Ｂにおいて、膝１を真っ直ぐ伸ばした完全伸展位から膝１を屈曲する場合の膝関節運動の例を示している。屈曲初期（Ｉ）では主に、脛骨５が大腿骨４のまわりをころがり運動（曲線矢印）する。その後、屈曲角度が増すに従い屈曲中期（ＩＩ）では脛骨５の大腿骨４に対する滑り運動（直線矢印）の要素が加わり、ころがり運動と滑り運動の複合運動となる。更に、屈曲終期（ＩＩＩ）では主に、滑り運動となる。なお、膝１の伸展運動の場合は、屈曲の場合と逆になる。このように膝１の関節運動は、大腿骨４及び脛骨５のころがり運動と滑り運動の複合運動となっているため、屈曲段階を通して見ると関節運動の回転中心は一定ではない。
【００２０】
上記のように回転中心が複雑に変化する運動において、そのうちの短時間に限定すれば実質的に回転運動とみなすことができ、そのときの回転中心を瞬間中心という。例えば、図８Ａに例示するように膝関節が屈曲又は伸展する際、大腿骨４における２点Ｐ1，Ｐ2がＰ1′，Ｐ2′に移動した場合を考えると、それぞれの点の移動前後で形成される線分の垂直２等分線Ｌ1，Ｌ2相互の交点が瞬間中心Ｏとなる。かかる瞬間中心の移動は、膝関節の運動をサポートする上で極めて重要な動きである。図８Ｂには瞬間中心Ｏの移動軌跡Ｏ1〜Ｏnの例を示し、この例のように略半円状を呈する。
【００２１】
本発明の実施形態である装置では具体的には一対のリンク１２Ａ，１２Ｂに連結ギア１９がそれぞれ結合し、例えば図９Ａのように一方のリンク１２Ａが矢印のように回動した場合、図９Ｂのように瞬間中心Ｏ′の移動軌跡Ｏ1′，Ｏ2′，．．．，Ｏn′のように片方の連結ギア１９の形状と実質的に同じ円を描く軌跡となる。膝関節が屈曲又は伸展する際、その膝関節運動の高い再現性が得られる。
【００２２】
次に、膝関節の運動情報を取得するための力覚センサ機構を具備する。ここで、本発明の実施形態である装置では上述のようにパワー伝達機構においてウォーム／ウォームホイールギア（１６，１７）を使用している。リンク１２Ａ，１２Ｂが固定された脚を動かそうとするとセルフロックがかかってしまい、そのままでは本発明の実施形態である装置を装着する人の運動を拘束してしまう。このため脚の変位の運動情報ではなく、脚を動かそうとした際ウォームギア１６の軸方向にかかる荷重を計測し、そのような運動情報に基づき膝関節運動をアシストするというものである。
【００２３】
具体的構成において、上述したようにモータ１４はホルダプレート１５を介して、固定支持される。このホルダプレート１５は図１０に示されるようにその上端部及び下端部にて、ケーシング１１側に固定された支持プレート２１，２２によって支持される。ホルダプレート１５はモータ１４を支持するには必要且つ十分な強度剛性を有しているが、この場合力覚センサ機構としてウォームギア１６からの荷重により変形し易い構造となっている。ホルダプレート１５の上端部及び下端部付近にはそれぞれ、モータ１４の軸方向に沿って概略薄板棒状の歪ゲージ部材２３，２３が取り付けられる。各歪ゲージ部材２３の後端部は、ベアリング２４によって軸支される。
【００２４】
歪ゲージ部材２３には更に歪変形拡大機構が設けられる。図１０に示されるように各歪ゲージ部材２３の後端部付近に括れ部位２３ａを有し、この括れ部位２３ａに歪ゲージ（詳細については図示せず）が装着される。歪ゲージ部材２３に対して軸方向の引張り又は圧縮荷重が付与されると、括れ部位２３ａにてその変形が拡大され、付与された荷重をより高い精度で検出することができる。例えば図１０、図１１Ａ及び図１１Ｂに示したようにウォームギア１６からモータ１４の出力軸１４ａに対して圧縮方向の荷重Ｐがかかった場合、その荷重Ｐにより先ず図１１Ｂのようにホルダプレート１５が曲げ変形し、このホルダプレート１５の変形により更にゲージ部材２３、特にその括れ部位２３ａが外側に拡がるように変形を拡大する。なお、出力軸１４ａに引張り方向の荷重がかかった場合には上記とは逆の変形となる。
【００２５】
次に、図１２は、ソフトウェアを含めたパワーアシスト装置１０の全体構成を示している。前述したハードウェア部分である、人体に装着されるパワーアシストユニットの電装類とパーソナルコンピュータ１００（以下、パソコンと略す）とが相互に接続され、本発明の実施形態である装置のシステムが構成される。このシステムにおいて、パワーアシストユニット側の歪ゲージ部材２３の歪ゲージを含んでなる力センサ２５の検出信号はアンプ２６を介して、Ａ／Ｄボード２７に入力される。また、モータ１４に付設されたエンコーダ２８からの信号はカウンタ２９に入力される。パソコン１００において、少なくともこれらの信号に基づきモータ１４に対する指令電圧を決定し、Ｄ／Ａボード３０更にはモータドライバ３１を介してモータ１４を駆動するようになっている。
【００２６】
本発明の実施形態である装置ではシステム制御方法として、仮想コンプライアンス制御による目標速度の生成を用いてパワーアシストを行う。ここに、仮想コンプライアンス制御とは、外力が作用した方向に逃げるような動作をする制御法であり、計測された力に対して仮想的に設定した慣性、粘性、弾性を満たすように速度を制御するというものである。仮想コンプライアンス制御によれば、外力を測定することで仮想的なパラメータを満たすような目標速度が与えられる。
【００２７】
本発明の実施形態であるシステムでは外力を人間からの入力とすると、人間からの入力によって目標速度が与えられる。この場合、仮想的に設定するインピーダンスを好適に設定することで、人の出力するトルクに応じた運動速度を出力することが可能となる。
次の（１）式は、本発明の実施形態である装置のシステムに適用される仮想コンプライアンス制御式を表している。
ωn+1＝Δｔ／Ｉ・（τhn−Ｃωn−ＫΔθn）＋ωn    （１）
ここに、ωn+1：目標角速度、ωn：現在角速度、θn：現在角度、Δｔ：サンプリング時間、τhn：人間からの入力、Ｉ：仮想慣性モーメント、Ｃ：仮想粘性係数、Ｋ：仮想弾性係数である。
本発明の実施形態である装置は、人からの入力を力センサにより取得するので、人が脚を動かそうとする情報に基づき動作することができる。
【００２８】
仮想コンプライアンス制御で扱う入力トルクの計測は、歪ゲージを用いて力センサで行われる。この場合、力センサではトルクを直接計測することができないため、実際に力センサが取得している値は、図１３の荷重Ｐに比例した電圧である。荷重Ｐは、ウォームギア１６及びウォームホイール１７の接触点に作用する力であり、ウォームホイール１７に結合するリンク１２Ａ，１２Ｂに対して力Ｆを加えたときにセルフロックが生じる力である。このとき力Ｆと荷重Ｐの関係は下記（２）式である。
ＦＬ＝Ｐａ    （２）
【００２９】
本発明の実施形態である装置では、図１３における距離ａは使用するウォームホイール１７の基準円の半径であり、一定である。ある一定のＦＬによって生じるＰの力が入力されたときの力センサの変化を検出することで、その後入力されるであろうＦＬの推定が可能になる。仮想コンプライアンス制御に用いる入力トルクに関して、リンク１２Ａ，１２ＢにかかるモーメントであるＦＬが入力トルクとして適している。
【００３０】
ここで、ある一定のＦＬに対するセンサの変化を検証するためにセンサに対する線形性試験を行ったところ、図１４に示す試験結果が得られた。図１４のグラフにおいて、縦軸を出力電圧、横軸を入力した力とする。このグラフの傾きを用いることで、センサの出力電圧から入力トルクを推定することが可能になる。そして、最終的にこの傾きから推定した入力トルクから仮想コンプライアンス制御による目標速度を生成し、その目標速度に対してＰＩＤ制御を行うことにより操作量としての出力電圧を決定することができる。
【００３１】
上記構成において、パワーアシスト装置１０を装着した使用者が、膝１を曲げあるいは伸ばして脚を動かそうとすると、ウォームギア１６及びウォームホイール１７間のセルフロックにより力覚センサ機構が作動する。このときに得られた荷重に基づき、仮想コンプライアンス制御により膝関節運動の目標速度が生成され、この目標速度となるようにモータ１４が駆動制御され、最適なアシストパワーが付与される。
【００３２】
上述したように本発明の実施形態であるパワーアシスト装置１０を装着して、使用者の動作に最適な力量でアシストし、膝関節の屈曲及び伸展運動を極めて有効且つ効果的にアシストすることができる。この場合、装置構成がコンパクトであり、小型軽量とすることによりこれを装着する使用者の負担とならず、使用性や取り扱い性等に優れ、更に高い安全性が確保される。
【００３３】
次に、本発明による膝関節運動パワーアシスト装置の第２の実施の形態を説明する。なお、上記実施形態の場合と同一又は対応する部材には同一符号を用いるものとする。
図１５は、この実施形態におけるパワーアシスト装置１０の装着時の概略構成を示している。図１５において、膝１の上下付近の外側部に配置された略薄箱型のケーシング１１から延出する出力部材として一対のリンク１２Ａ，１２Ｂを有し、リンク１２Ａが大腿部２の側部に沿って、リンク１２Ｂが脛部３の側部に沿うように装着される。これらのリンク１２Ａ，１２Ｂはそれぞれファスナ１３によって、大腿部２及び脛部３に固定される。図１６にも示すように、リンク１２Ａ及び１２Ｂはそれぞれのケーシング１１を介して、カップリングプレート３２によって相互に連結される。
【００３４】
図１７に示すようにケーシング１１には、アシストパワーを発生させるための駆動部を構成するモータ１４が搭載される。モータ１４は、ホルダプレート１５を介して支持される。モータ１４の出力軸１４ａがホルダプレート１５と直交するように配置される。モータ１４の出力軸１４ａには、アシストパワーを伝達するためのパワー伝達機構を構成するウォームギア１６が取り付けられる。各モータ１４（その出力軸１４ａ）及びウォームギア１６は、大腿部２及び脛部３にそれぞれ平行になるように取り付けられる。
【００３５】
ケーシング１１は一対のケーシングプレートを含み、図１８に示すようにその内の一方（人体側）のケーシングプレート１１Ａからリンク１２Ａ（又は１２Ｂ）が延出する。
また、図１７のように一対のケーシングプレート１１Ａ（一方のみ図示する）にはベアリングホルダ３３を介してベアリング３４が装着される。
【００３６】
カップリングプレート３２には図１９に示されるように、パワー伝達機構を構成するウォームホイール１７が支軸１８により支持される。ウォームギア１６及びウォームホイール１７は相互に噛合する。この場合、本実施形態ではウォームホイール１７はカップリングプレート３２に固定されると共に、支軸１８はベアリング３４と回転可能に係合する。なお、その他の構成については、上記実施形態の場合と実質的に同一である。
【００３７】
第２の実施形態において、パワーアシスト装置１０を装着した使用者が、膝１を曲げあるいは伸ばして脚を動かすことで、上述の実施形態の場合と同様にウォームギア１６及びウォームホイール１７間のセルフロックにより力覚センサ機構が作動する。このときに得られた荷重に基づき、仮想コンプライアンス制御により膝関節運動の目標速度が生成され、この目標速度となるようにモータ１４が駆動制御され、最適なアシストパワーが付与される。
【００３８】
この例ではウォームホイール１７が固定式であるため、ケーシング１１側がウォームホイール１７の外周に沿って回動する。また、第２の実施形態では装置構成が簡素化され、よりコンパクトな装置を実現することができる。
【００３９】
次に、本発明の実施形態（実施例）であるパワーアシスト装置の効果の検証実験とその結果について説明する。膝関節の筋電位は、人間が自分の意志によって膝関節を動かした場合には大きくなり、自分の意志ではなく外力によって動かされた場合には小さくなる（または、ほぼ生じない）。このため、パワーアシスト装置が膝関節の動作をアシストする場合には筋電位が発生するが、完全に自分の意志で動かす場合に比較して小さくなる。これに対して、パワーアシスト装置が膝関節の動作をアシストするが、その効果を低減するように制御される場合には、筋電位は、人間が自分の意志で膝関節を動かした場合とほぼ同じとなる。そこで、この検証実験では、パワーアシスト装置を装着した被験者の膝の筋電位を測定し、その結果に基づいて本発明の実施形態であるパワーアシスト装置の効果について検証した。
【００４０】
筋電位の測定条件は、次のとおりである。（１）パワーアシスト装置を作動させた状態。（２）パワーアシスト装置を、アシスト効果が得られる状に作動させた状態。（３）パワーアシスト装置を、アシスト効果が低くなるように作動させた状態。また、筋電位の測定の際における被験者の足の運動は、次のとおりである。（ａ）まず、被験者は台に座り、足に力を入れないで足を宙にぶら下げた状態にする。（ｂ）そして、被験者は１秒で足を伸ばし、その後１秒で足を元の状態に戻す。（ｃ）さらにその後、被験者は２秒間にわたって足の力を抜く。そして、前記（ａ）〜（ｃ）の動作を１セットとして、各条件下で１０セットの動作を行い、前記（１）〜（３）の状態の筋電位を測定した。また、比較のため、前記（ａ）〜（ｃ）の動作を外力によって実行し、その際における前記（１）〜（３）の状態の筋電位を測定した。なお、実験条件の統一のため、パワーアシスト装置を作動させない場合であっても、被験者はパワーアシスト装置を装着している。ただし、この場合には、モータの動力などが被験者に伝わらないように、一部の部品を取り外した。また、前記（１）〜（３）のすべての測定条件において、被験者の足に重さ２ｋｇの錘を装着し、筋電位を測定しやすくした（すなわち、筋電位が大きくなるようにした）。
【００４１】
図２０は、本発明の実施形態であるパワーアシスト装置の検証実験の結果を示したグラフであり、被験者が自分の意志で膝関節を動かした場合（＝被験者は足の力を抜いた場合）における筋電位の測定結果を示す。図２１は、本発明の実施形態であるパワーアシスト装置の検証実験の結果を示したグラフであり、外力によって膝関節が動かされた場合における筋電位の測定結果を示す。図２０に示すように、パワーアシスト装置が運動をアシストした場合の筋電位は、作動しない場合の筋電位よりも小さい。したがって、パワーアシスト装置が、実際に被験者の運動をアシストしていると考えられる。また、パワーアシスト装置が作動しない場合の筋電位と、アシストするが効果が低減するように作動した場合の筋電位とは、ほぼ同じ結果が得られた。したがって、この場合には、被験者による足の運動は、パワーアシスト装置が作動しない場合とほぼ同じであると考えられる。そして、パワーアシスト装置が運動をアシストした場合の筋電位は、アシスト効果が低減するように動作した場合の筋電位よりも小さい。このことから、パワーアシスト装置は、被験者の運動をアシストしていると考えられる。なお、図２１に示すように、外力によって被験者の足を運動させた場合には、（１）〜（３）の状態における筋電位の測定結果は、ほぼ等しくなる。したがって、図２０に示す筋電位の大きさの差は、本発明の実施形態であるパワーアシスト装置の効果を有効に示していると考えられる。このように、本発明の実施形態であるパワーアシスト装置は、装着する人間の意に沿うように動作することが確認された。
【００４２】
以上、本発明の実施形態（実施例）について詳細に説明したが、前記実施形態（実施例）は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したに過ぎない。本発明の技術的範囲は、前記実施形態（実施例）に限定されるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４３】
上記実施形態では膝関節に本発明を適用する例を説明したが、適用部位もしくは箇所してこれに限らず、例えば肘関節等に対しても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の装置は、これを装着した使用者の動作に最適な力量でアシストし、特に膝関節の屈曲及び伸展運動を極めて有効且つ効果的にアシストすることができる。本発明の装置は、装置構成がコンパクトであり、小型軽量とすることによりこれを装着する使用者の負担とならず、使用性や取り扱い性等に優れ、更に高い安全性が確保される。
【図１】
2011145643.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年3月15日(2012.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膝関節まわりに装着して、膝の曲げ伸ばしの際に膝関節運動をアシストするための膝関節パワーアシスト装置であって、
離間した２つの支軸のそれぞれに回転可能に支持される一対のリンクと、
前記一対のリンクのそれぞれに結合され相互に噛合する連結ギアと、
前記一対のリンクを駆動するためのアシストパワーを発生させる駆動部と、
前記駆動部が発生させたアシストパワーを前記一対のリンクに伝達するパワー伝達機構と、
膝関節の運動情報を取得するための力覚センサ機構と、を具備し、
前記力覚センサ機構によって取得した膝関節の運動情報に基づき、前記駆動部がアシストパワーを発生するようにしたことを特徴とする膝関節パワーアシスト装置。
【請求項２】
前記駆動部はモータを有し、
前記パワー伝達機構は、前記モータの回転軸に設けられるウォームギアと、前記連結ギアに同心となるように前記一対のリンクに結合されるとともに前記ウォームギアと噛合するウォームホイールとを有し、前記モータが発生させたアシストパワーを、前記ウォームギアおよび前記ウォームホイールを介して前記一対のリンクに伝達することを特徴とする請求項１に記載の膝関節パワーアシスト装置。
【請求項３】
前記力覚センサ機構は、前記パワー伝達機構の前記ウォームギアの軸方向にかかる荷重を測定し、前記荷重に基づいて前記膝関節の運動情報を取得することを特徴とする請求項２に記載の膝関節パワーアシスト装置。
【請求項４】
前記力覚センサ機構によって取得した膝関節の運動情報に基づき、仮想コンプライアンス制御により膝関節運動の目標速度を生成し、前記目標速度となるように前記駆動部がアシストパワーを発生することを特徴とする請求項３に記載の膝関節パワーアシスト装置。
【国際調査報告】
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